Masas de aire y frentes.

Cátedra de Introducción a las Ciencias de la Atmósfera
Apuntes Complementarios de las Clases Teóricas
Unidad 8: Masas de Aire y Frentes
Profesor: Pablo L. Antico
La evolución típica del estado del tiempo en las regiones de las latitudes medias o
extratropicales (aproximadamente entre 30 y 60 grados de latitud) se caracteriza por
presentar fuertes variaciones de temperatura y la humedad en pocos días. Suele suceder
que, tras varios días con buen tiempo, ocurre un aumento de la humedad y la
temperatura, luego llueve durante uno o dos días y después vuelve a mejorar el tiempo a
la vez que desciende la temperatura. En los extratrópicos, ocurren intercambios entre
masas de aire provenientes de la región subtropical, en donde dominan los anticiclones
subtropicales asociados con la rama descendente de la celda de Hadley, y masas de aire
provenientes de la región subpolar, comprendida entre los polos y los 60° de latitud. El
intercambio entre las distintas masas de aire se debe a la acción de ondas con una
longitud del orden de 2000 km y un período de aproximadamente 7 días. Estas ondas se
propagan a lo largo de una franja de apenas unos cientos de kilómetros que separa
ambos tipos de masas de aire, denominada frente polar, y se las conoce con el nombre
de ondas ciclónicas. Este nombre proviene de la relación existente entre el desarrollo de
los ciclones (ciclogénesis) y los frentes, que fue postulado por primera vez como teoría
(Teoría del Frente Polar) por el meteorólogo noruego J. Bjerknes en 1918.
En el modelo noruego la onda ciclónica se desarrolla sobre el frente polar. Durante el
invierno, el frente polar suele estar bien definido y forma una banda contínua alrededor del
planeta. Sobre la superficie, el frente suele romperse en distintos tramos debido a la
ruptura de ondas ciclónicas, asociadas al desarrollo de ciclones.
Masas de Aire
Una masa de aire tiene una extensión horizontal del orden de los 2000 km y un espesor
que puede variar entre 1 y 2 km, y se caracteriza por la homogeneidad de sus
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propiedades físicas, fundamentalmente la temperatura y la humedad. Cuando la masa de
aire se desplaza fuera de su región de origen, transportará estas condiciones de
temperatura y humedad afectando a partes enteras de un continente.
Regiones de origen de las masas de aire
Para que una región determinada actúe como fuente de masas de aire, debe cumplir con
dos requisitos fundamentales: 1) Homogeneidad en las condiciones del terreno, que debe
extenderse sobre un área comparable al tamaño de las masas de aire. Así, una región
cuya topografía es irregular o bien posee una distribución heterogénea de superficies de
agua y tierra firme, no será una zona en donde puedan formarse masas de aire. 2) La
circulación atmosférica debe favorecer el estancamiento del aire sobre la región, así éste
logrará adquirir las propiedades del terreno subyacente al cabo de un cierto tiempo. Esta
segunda condición se da en las regiones de anticiclones semipermanentes.
Clasificación de las masas de aire
Depende básicamente de la naturaleza de la superficie en donde ésta se origina, y de la
latitud en donde esta zona se encuentra. La latitud de la fuente determinará las
condiciones térmicas de la masa de aire, mientras que la naturaleza de la superficie
determinará si se trata de una masa de aire húmedo en el caso del océano, o de una
masa de aire seco si se trata de un continente.
A las masas de aire se las identifica mediante un código de dos letras. Respecto de la
latitud (temperatura), éstas se clasifican principalemente en dos categorías: polar (P) y
tropical (T). Eventualmente también se clasifican a las masas de aire como ártica o
antártica (A) y como ecuatorial (E). Estas dos últimas categorías son rara vez utilizadas y
constituyen casos extremos de los tipos polar y tropical. La letra minúscula m (de
marítimo) y c (de continental) se utiliza para indicar el grado del contenido de humedad de
la masa de aire de acuerdo al tipo de superficie en donde ésta ha tenido origen.
De acuerdo con el esquema de clasificación anterior, las masas de aire suelen
clasificarse como:
Ac (A) : ártica o antártica continental o simplemente ártica o antártica
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Pc
: polar continental
Tc
: tropical continental
Tm
: tropical marítima
Pm
: polar marítima
Em (E) : ecuatorial marítima o simplemente ecuatorial
Frentes
Los frentes se definen como las superficies que separan masas de aire de diferentes
densidades, una mas caliente y con frecuencia de mayor contenido de humedad que la
otra.
Por sobre el suelo la superficie frontal tiene una pendiente de poco ángulo de forma que
el aire caliente se ubica sobre el aire frío. En el caso ideal, las masas de aire a ambos
lados del frente se mueven en la misma dirección y a la misma velocidad. En estas
condiciones el frente actúa como una barrera para el movimiento del aire. Generalmente,
el campo de presión a través del frente es tal que el aire de un lado se está moviendo más
rápido en la dirección perpendicular al frente con respecto al aire del otro lado del frente.
Como consecuencia, una masa de aire se desplaza por encima de la otra.
Independientemente del movimiento relativo de las masas de aire, siempre es el aire
caliente, de menor densidad, el que se desplaza por arriba, mientras que el aire frío, mas
denso, actúa como una cuña sobre la cual tiene lugar el ascenso del aire cálido.
Frente Caliente
Cuando la posición en superficie de un frente se mueve de forma que el aire caliente
invade el espacio originalmente ocupado por el aire frío, se trata de un frente caliente. La
pendiente media de un frente caliente es de 1: 200.
Al ascender el aire caliente sobre la cuña del aire frío que se está retirando, éste se
enfriará por expansión adiabática y formará nubes que también podrán dar lugar a
precipitaciones. Para un observador en una localidad a la cual se aproxima un frente
caliente, el primer signo será el aumento de las nubes altas que normalmente se forman a
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1000 km o más por delante del frente. Otra indicación del avance de un frente caliente
viene dado por la persistencia de las estelas de condensación formadas por los aviones.
Cuando esto último ocurre, significa que en los niveles altos el aire está ascendiendo y
aumenta su contenido de humedad. A medida que se aproxima el frente caliente en
superficie, nuestro observador notará que las nubes altas se espesan a tal punto que se
transforman en nubes de menor altura. Aproximadamente a unos 300 km delante del
frente aparecen nubes muy bajas y espesas junto con las primeras precipitaciones.
Normalmente la precipitación asociada a un frente caliente persiste durante varias horas.
Esto es consistente con la débil pendiente del frente, sobre la cual el aire caliente
asciende sin formar tormentas en la mayoría de los casos. Sin embargo, cuando el aire
caliente es inestable, al sufrir un pequeño ascenso sobre la pendiente frontal dará lugar a
tormentas que a veces pueden ser muy fuertes. Por otro lado, a veces sucede que la
masa de aire caliente es muy seca y el frente ni siquiera posee un campo de nubosidad
asociado. En este caso, nuestro observador no podrá percibir en el cielo signos que
delaten la aproximación de un frente caliente.
Con el pasaje de un frente caliente sobre una localidad determinada, ocurre un aumento
gradual de la temperatura. Si se trata de una localidad de la región extratropical de
América del Sur, normalmente se observará la rotación del viento del este al norte o
noreste con el pasaje del frente. El tiempo que transcurre desde el pasaje del frente hasta
que retorna el buen tiempo dependerá del contenido de humedad y de las condiciones de
estabilidad de la masa de aire cálido. Durante el verano en las masas de aire cálido
abundan las nubes de desarrollo vertical, que en muchos casos se transforman en
tormentas aisladas.
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Frente Frío
Cuando el aire frío avanza sobre una región que estaba ocupada por aire caliente, la
zona de discontinuidad entre ambas masas de aire constituye un frente frío. Tal como
sucede con los frentes calientes, la fricción del suelo tiende a detener el avance del frente
en superficie respecto de su avance en altura. Debido a la diferencia de las propiedades
físicas entre el aire frío y el aire caliente, cuando el aire frío es el que desplaza al caliente
la pendiente del frente crece. En promedio, la pendiente de los frentes fríos es el doble de
la pendiente de los frentes calientes, es decir 1:100. A veces ocurre que la posición del
frente frío en altura precede a la del frente en superficie. Cuando esto sucede, delante el
frente la atmósfera se torna muy inestable y pueden formarse tormentas severas.
Además, los frentes fríos suelen desplazare a mayor velocidad que los frentes calientes.
Debido a estas dos características, velocidad de desplazamiento y pendiente, el cambio
del estado del tiempo asociado al pasaje de un frente frío es mas violento que en el caso
del pasaje de un frente caliente. El movimiento del aire caliente sobre la fuerte pendiente
frontal ocurre con suficiente rapidez como para liberar gran cantidad de calor latente, lo
cual favorece el desarrollo de tormentas. Es por este motivo que en general las
precipitaciones asociadas a un frente frío son mas intensas pero de menor duración que
las asociadas a un frente caliente. También puede suceder que el aire caliente sea lo
suficientemente seco como para que ni siquiera se formen nubes, en cuyo caso no habrá
nubosidad asociada al pasaje del frente frío.
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A veces, próximo al pasaje de un frente frío el cielo es invadido por nubes medias.
Cuando un frente frío se aproxima a una localidad de América del Sur, un observador
notará una banda obscura de nubes, muchas veces en forma de torres, que se acerca
rápidamente desde el oeste o el sur. Tras el pasaje del frente se registra un marcado
descenso de la temperatura y un brusco cambio del viento del norte, noreste o noroeste al
sur, sudeste o sudoeste.
El tiempo detrás de un frente frío se asocia con una masa de aire fría sometida a
subsidencia.
Por consiguiente, al poco tiempo del pasaje del frente el cielo estará
bastante despejado. Durante el invierno, esta combinación favorece bruscos descensos
de temperatura particularmente durante la noche. Es muy común que durante el día, el
aire muy frío se inestabilice lo suficiente en las capas mas bajas y se forme una cubierta
de nubes bajas.
Frentes Estacionarios
Existen situaciones en las que el aire a un lado y al otro del frente resulta paralelo al
mismo. Cuando esto ocurre el frente no se desplaza y se lo denomina frente estacionario.
Este tipo de frente presenta características similares a la de los frentes calientes. Es muy
común que en algunos sectores ocurran invasiones leves de uno de los dos tipos de
masas de aire y ocurran precipitaciones.
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Frentes Ocluídos
Cuando un frente frío alcanza a un frente caliente, la cuña de aire frío eleva al frente
caliente y se forma un nuevo frente entre el aire frío y el aire sobre el cual se desplaza el
frente caliente. A este frente se lo denomina frente ocluido. La nubosidad asociada a un
frente de este tipo es bastante compleja. El campo de nubosidad más importante está
asociado con la elevación del frente caliente sobre la cuña fría, en donde pueden ocurrir
las principales precipitaciones. Si las condiciones son favorables, el frente ocluido puede
generar un nuevo campo de nubosidad y provocar otra zona de precipitaciones.